詳解Linux多線程使用信號量同步
信號量、同步這些名詞在進(jìn)程間通信時就已經(jīng)說過，在這里它們的意思是相同的，只不過是同步的對象不同而已。但是下面介紹的信號量的接口是用于線程的信號量，注意不要跟用于進(jìn)程間通信的信號量混淆。
一、什么是信號量
線程的信號量與進(jìn)程間通信中使用的信號量的概念是一樣，它是一種特殊的變量，它可以被增加或減少，但對其的關(guān)鍵訪問被保證是原子操作。如果一個程序中有多個線程試圖改變一個信號量的值，系統(tǒng)將保證所有的操作都將依次進(jìn)行。
而只有0和1兩種取值的信號量叫做二進(jìn)制信號量，在這里將重點介紹。而信號量一般常用于保護一段代碼，使其每次只被一個執(zhí)行線程運行。我們可以使用二進(jìn)制信號量來完成這個工作。
二、信號量的接口和使用
信號量的函數(shù)都以sem_開頭，線程中使用的基本信號量函數(shù)有4個，它們都聲明在頭文件semaphore.h中。
1、sem_init函數(shù)
該函數(shù)用于創(chuàng)建信號量，其原型如下：
int sem_init(sem_t *sem, int pshared， unsigned int value);
該函數(shù)初始化由sem指向的信號對象，設(shè)置它的共享選項，并給它一個初始的整數(shù)值。pshared控制信號量的類型，如果其值為0，就表示這個信號量是當(dāng)前進(jìn)程的局部信號量，否則信號量就可以在多個進(jìn)程之間共享，value為sem的初始值。調(diào)用成功時返回0，失敗返回-1.
2、sem_wait函數(shù)
該函數(shù)用于以原子操作的方式將信號量的值減1。原子操作就是，如果兩個線程企圖同時給一個信號量加1或減1，它們之間不會互相干擾。它的原型如下：
int sem_wait(sem_t *sem);
sem指向的對象是由sem_init調(diào)用初始化的信號量。調(diào)用成功時返回0，失敗返回-1.
3、sem_post函數(shù)
該函數(shù)用于以原子操作的方式將信號量的值加1。它的原型如下：
int sem_post(sem_t *sem);
與sem_wait一樣，sem指向的對象是由sem_init調(diào)用初始化的信號量。調(diào)用成功時返回0，失敗返回-1.
4、sem_destroy函數(shù)
該函數(shù)用于對用完的信號量的清理。它的原型如下：
int sem_destroy(sem_t *sem);
成功時返回0，失敗時返回-1.
三、使用信號量同步線程
下面以一個簡單的多線程程序來說明如何使用信號量進(jìn)行線程同步。在主線程中，我們創(chuàng)建子線程，并把數(shù)組msg作為參數(shù)傳遞給子線程，然后主線程等待直到有文本輸入，然后調(diào)用sem_post來增加信號量的值，這樣就會立刻使子線程從sem_wait的等待中返回并開始執(zhí)行。線程函數(shù)在把字符串的小寫字母變成大寫并統(tǒng)計輸入的字符數(shù)量之后，它再次調(diào)用sem_wait并再次被阻塞，直到主線程再次調(diào)用sem_post增加信號量的值。
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
//線程函數(shù)
void *thread_func(void *msg);
sem_t sem;//信號量
#define MSG_SIZE 512
int main()
{
int res = -1;
pthread_t thread;
void *thread_result = NULL;
char msg[MSG_SIZE];
//初始化信號量，其初值為0
res = sem_init(&sem, 0, 0);
if(res == -1)
{
perror("semaphore intitialization failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//創(chuàng)建線程，并把msg作為線程函數(shù)的參數(shù)
res = pthread_create(&thread, NULL, thread_func, msg);
if(res != 0)
{
perror("pthread_create failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//輸入信息，以輸入end結(jié)束，由于fgets會把回車（\n）也讀入，所以判斷時就變成了“end\n”
printf("Input some text. Enter 'end'to finish...\n");
while(strcmp("end\n", msg) != 0)
{
fgets(msg, MSG_SIZE, stdin);
//把信號量加1
sem_post(&sem);
}
printf("Waiting for thread to finish...\n");
//等待子線程結(jié)束
res = pthread_join(thread, &thread_result);
if(res != 0)
{
perror("pthread_join failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Thread joined\n");
//清理信號量
sem_destroy(&sem);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
void* thread_func(void *msg)
{
//把信號量減1
sem_wait(&sem);
char *ptr = msg;
while(strcmp("end\n", msg) != 0)
{
int i = 0;
//把小寫字母變成大寫
for(; ptr[i] != '\0'; ++i)
{
if(ptr[i] >= 'a' && ptr[i] <= 'z')
{
ptr[i] -= 'a' - 'A';
}
}
printf("You input %d characters\n", i-1);
printf("To Uppercase: %s\n", ptr);
//把信號量減1
sem_wait(&sem);
}
//退出線程
pthread_exit(NULL);
}
運行結(jié)果如下：
從運行的結(jié)果來看，這個程序的確是同時在運行兩個線程，一個控制輸入，另一個控制處理統(tǒng)計和輸出。
四、分析此信號量同步程序的缺陷
但是這個程序有一點點的小問題，就是這個程序依賴接收文本輸入的時間足夠長，這樣子線程才有足夠的時間在主線程還未準(zhǔn)備好給它更多的單詞去處理和統(tǒng)計之前處理和統(tǒng)計出工作區(qū)中字符的個數(shù)。所以當(dāng)我們連續(xù)快速地給它兩組不同的單詞去統(tǒng)計時，子線程就沒有足夠的時間支執(zhí)行，但是信號量已被增加不止一次，所以字符統(tǒng)計線程（子線程）就會反復(fù)處理和統(tǒng)計字符數(shù)目，并減少信號量的值，直到它再次變成0為止。
為了更加清楚地說明上面所說的情況，修改主線程的while循環(huán)中的代碼，如下：
printf("Input some text. Enter 'end'to finish...\n");
while(strcmp("end\n", msg) != 0)
{
if(strncmp("TEST", msg, 4) == 0)
{
strcpy(msg, "copy_data\n");
sem_post(&sem);
}
fgets(msg, MSG_SIZE, stdin);
//把信號量加1
sem_post(&sem);
}
重新編譯程序，此時運行結(jié)果如下：
當(dāng)我們輸入TEST時，主線程向子線程提供了兩個輸入，一個是來自鍵盤的輸入，一個來自主線程復(fù)數(shù)據(jù)到msg中，然后從運行結(jié)果可以看出，運行出現(xiàn)了異常，沒有處理和統(tǒng)計從鍵盤輸入TEST的字符串而卻對復(fù)制的數(shù)據(jù)作了兩次處理。原因如上面所述。
五、解決此缺陷的方法
解決方法有兩個，一個就是再增加一個信號量，讓主線程等到子線程處理統(tǒng)計完成之后再繼續(xù)執(zhí)行；另一個方法就是使用互斥量。
下面給出用增加一個信號量的方法來解決該問題的代碼，源文件名為semthread2.c，源代碼如下：
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
//線程函數(shù)
void *thread_func(void *msg);
sem_t sem;//信號量
sem_t sem_add;//增加的信號量
#define MSG_SIZE 512
int main()
{
int res = -1;
pthread_t thread;
void *thread_result = NULL;
char msg[MSG_SIZE];
//初始化信號量,初始值為0
res = sem_init(&sem, 0, 0);
if(res == -1)
{
perror("semaphore intitialization failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//初始化信號量,初始值為1
res = sem_init(&sem_add, 0, 1);
if(res == -1)
{
perror("semaphore intitialization failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//創(chuàng)建線程，并把msg作為線程函數(shù)的參數(shù)
res = pthread_create(&thread, NULL, thread_func, msg);
if(res != 0)
{
perror("pthread_create failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//輸入信息，以輸入end結(jié)束，由于fgets會把回車（\n）也讀入，所以判斷時就變成了“end\n”
printf("Input some text. Enter 'end'to finish...\n");
sem_wait(&sem_add);
while(strcmp("end\n", msg) != 0)
{
if(strncmp("TEST", msg, 4) == 0)
{
strcpy(msg, "copy_data\n");
sem_post(&sem);
//把sem_add的值減1，即等待子線程處理完成
sem_wait(&sem_add);
}
fgets(msg, MSG_SIZE, stdin);
//把信號量加1
sem_post(&sem);
//把sem_add的值減1，即等待子線程處理完成
sem_wait(&sem_add);
}
printf("Waiting for thread to finish...\n");
//等待子線程結(jié)束
res = pthread_join(thread, &thread_result);
if(res != 0)
{
perror("pthread_join failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Thread joined\n");
//清理信號量
sem_destroy(&sem);
sem_destroy(&sem_add);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
void* thread_func(void *msg)
{
char *ptr = msg;
//把信號量減1
sem_wait(&sem);
while(strcmp("end\n", msg) != 0)
{
int i = 0;
//把小寫字母變成大寫
for(; ptr[i] != '\0'; ++i)
{
if(ptr[i] >= 'a' && ptr[i] <= 'z')
{
ptr[i] -= 'a' - 'A';
}
}
printf("You input %d characters\n", i-1);
printf("To Uppercase: %s\n", ptr);
//把信號量加1，表明子線程處理完成
sem_post(&sem_add);
//把信號量減1
sem_wait(&sem);
}
sem_post(&sem_add);
//退出線程
pthread_exit(NULL);
其運行結(jié)果如下：
分析：這里我們多使用了一個信號量sem_add，并把它的初值賦為1，在主線程在使用sem_wait來等待子線程處理完全，由于它的初值為1，所以主線程第一次調(diào)用sem_wait總是立即返回，而第二次調(diào)用則需要等待子線程處理完成之后。而在子線程中，若處理完成就會馬上使用sem_post來增加信號量的值，使主線程中的sem_wait馬上返回并執(zhí)行緊接下面的代碼。從運行結(jié)果來看，運行終于正常了。注意，在線程函數(shù)中，信號量sem和sem_add使用sem_wait和sem_post函數(shù)的次序，它們的次序不能錯亂，否則在輸入end時，可能運行不正常，子線程不能正常退出，從而導(dǎo)致程序不能退出。
以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。
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